이반 파블로프는 1849년 9월 중앙 러시아 랴잔에서 태어났다. 시골 목사의 맏아들이자 교회지기의 손자였던 그는 열 한 살에 신학교에 들어가서 신학, 고전어, 철학을 배웠고 과학에 대한 관심을 키워갔다. 1870년 파블로프는 신학교를 떠나 상트페테르부르크 대학교에 들어갔다. 그는 그곳에서 전공으로 생리학을, 부전공으로는 화학을 공부했다. 끼니를 거르기 일쑤였던 가난 속에서도 파블로프는 저명한 생리학자들의 지식을 스펀지가 물을 빨아들이듯 받아 들였다. 가정교사 일과 조교 수입으로 근근이 대학을 다니던 그는 1883년 상트페테르부르크의 임피리얼 의학 아카데미에서 박사학위를 받았다. 파블로프는 1881년 작가 도스토옙스키의 친구인 지적이고 매력적인 여인과 결혼했다. 그러나 결혼 초기에는 가난 때문에 서로 떨어져 살아야 했다. 그는 자신의 업적을 자신이 편안한 연구를 할 수 있도록 평생을 헌신한 부인에게 돌렸다. 1890년 4월 24일, 파블로프는 임피리얼 의학 아카데미의 생리학 교수가 되어 1924년 사임할 때까지 그곳에서 일했다. 새로 설립된 실험의학연구소에서 그 이후 45년 동안 그는 소화선에 관한 연구에 몰두했다. 그는 1904년 소화선에 관한 연구로 러시아인으로는 처음으로 노벨 생리학상을 받았다. 위와 췌장에서 분비되는 소화액이 신경계통, 특히 미주신경의 영향을 크게 받는다는 것을 발견한 공로였다.
파블로프의 연구 활동은 세 시기로 나누어서 살펴 볼 수 있다. 첫 시기는 1874년에서 1888년까지다. 이 시기에 그는 그다지 큰 통증을 유발시키지 않고 실험용 동물을 외과 수술하는 기술을 개발해 나갔다. 그는 순환계, 특히 환경 변화에 따른 혈압의 변화를 연구했다. 이 무렵 그는 심장 박동의 리듬과 강약을 조절하는 심장 신경 얼기에서 나가는 신경들을 관찰할 수 있었다. 두 번째 시기는 1888년~1902년이다. 이 시기에는 소화선에 관해 연구했다. 외과적인 실험을 통해 정상적인 동물의 위액 분비를 연구할 수 있었다. 이 시기의 연구 업적은 저서 <소화샘 연구에 대한 강의>에서 정점에 달했다. 마지막 시기(1902~1936)에 파블로프는 조건반사를 통해 뇌 피질의 기능을 해명하는데 전념했다. 정신 현상과 높은 수준의 신경 활동을 객관적, 생리적으로 측정하기 위해 그는 동물의 물리적인 (또는 심리적인) 활동을 양적으로 측정하는 데 침샘 분비를 이용했고, 조건반사와 척수반사 사이의 유사성을 찾기 위해 노력했다.
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